張 彬, 褚恩義, 任 煒, 王可暄, 李 慧, 尹 明

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710061)

1 引 言

火工品作為武器系統(tǒng)的首發(fā)元件,在較小的外界能量刺激作用下激發(fā),完成作用,實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。隨著武器微型化的發(fā)展,微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)火工品備受關(guān)注,它是指基于MEMS技術(shù)或與MEMS工藝兼容的火工品,其尺寸特點(diǎn)為換能結(jié)構(gòu)和藥劑結(jié)構(gòu)尺度在微米量級(jí),核心器件尺度在亞毫米量級(jí),系統(tǒng)尺度在毫米量級(jí)的火工品[1],采用MEMS封裝工藝,將微發(fā)火電路、微作動(dòng)機(jī)構(gòu)、微換能元、微裝藥、微序列集成一體,其主要特征是結(jié)構(gòu)微型化、換能信息化和序列集成化[2],被稱為第四代火工品。

MEMS火工品相關(guān)技術(shù)自20世紀(jì)后期開始有報(bào)道,國(guó)外主要研究單位有美國(guó)微組裝技術(shù)(MAT)公司[3]、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心[4-5]、新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)電學(xué)院[6-7]和韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院[8-9]等。其中,美國(guó)以可替代M100電雷管的MEMS火工品為目標(biāo),重點(diǎn)開展MEMS換能元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),研究低能發(fā)火性能的影響因素; 其他國(guó)家以可用于微推沖序列的換能元設(shè)計(jì)為主,重點(diǎn)開展其作用性能、特征參數(shù)表征研究。

總體而言,低能發(fā)火、高能輸出、換能可控是MEMS火工品換能元的重要發(fā)展方向,與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)在MEMS火工品換能元雖已開展部分研究,但是在基礎(chǔ)理論及設(shè)計(jì)技術(shù)方面仍存在一定的差距。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外MEMS火工品換能元技術(shù)的研究進(jìn)展,主要梳理、介紹了MEMS火工品換能元的兩大關(guān)鍵技術(shù): MEMS火工品換能元的設(shè)計(jì)制備方法以及換能元性能參數(shù)的測(cè)試表征。

2 MEMS火工品換能元的設(shè)計(jì)制備方法

MEMS火工品換能元設(shè)計(jì)研究包括換能元材料研究(基底與電阻材料優(yōu)選及特性研究)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(橋區(qū)結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)及薄膜長(zhǎng)寬比/厚度優(yōu)化)和制備方法等。

2.1 換能元材料研究

2.1.1 基底材料

基底材料的作用主要是作為支撐層,為換能結(jié)構(gòu)提供綜合性能優(yōu)良的載體,控制能量傳遞方向,提高換能效率,降低發(fā)火能量。目前報(bào)道的基底材料有硅、7740玻璃、陶瓷、石英等[7,10],其主要物理參數(shù)見表1?；撞牧线x用原則是要求與MEMS火工品工藝兼容、合適的熱導(dǎo)率以及高的電阻率等,一般情況下,較低的熱導(dǎo)率和高的電阻率,使熱量更容易聚集,可有效減少能量損耗,降低發(fā)火能量。

2010年,微組裝技術(shù)(Micro Assembly Technologies)公司在第54屆引信年會(huì)上公布了其研制的可替代M100電雷管起爆元件四代換能元[3]發(fā)展過程,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,第四代橋區(qū)結(jié)構(gòu)形狀并未公布,僅公布了鋁凹痕的尺寸為0.020英寸,據(jù)此可推測(cè)M100電雷管起爆元件的尺度,另外其基底材料及相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 幾種常用基底材料的主要參數(shù)[7,10]

Table 1 The main parameters of several common substrate[7,10]

substratedensity/g·cm-3thermalconductivity/W·m-1·K-1resistivity/μΩ·cm-1silicon2.3141.2>1013Pyrex77402.231.18>1014ceramic3.970.5>1014quartz2.651.46>1013

a. first generation b. second generation

c. third generation d. fourth generation

圖1 替代M100電雷管中的換能元件[3]

Fig.1 Energy conversion components of M100 replacement electric detonator[3]

表2 微組裝技術(shù)公司的換能元發(fā)展情況[3]

Table 2 The development situation of energy conversion components by Micro Assembly Technologies[3]

energyconversioncomponentssubstratefirevoltage/Vallfirevoltage/Vfirstgenerationpyrex77403-secondgenerationpyrex7740silicon35--thirdgenerationquartz1.62.0fourthgeneration-1.211.6

由微組裝技術(shù)公司的四代換能元發(fā)展歷程可見,MEMS火工品換能元的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步降低發(fā)火能量,提高能量轉(zhuǎn)換效率,控制發(fā)火能量散布精度。

2013年Carole Rossi等[10],進(jìn)一步從基底材料的優(yōu)選出發(fā),設(shè)計(jì)制備了如圖2所示的新型的MEMS點(diǎn)火器,其基底結(jié)構(gòu)以SU-8膠/PET為絕緣層和支撐層,結(jié)構(gòu)如圖3所示,該結(jié)構(gòu)層具有低熱導(dǎo)系數(shù)(0.8 W·m-1·K-1)、高的機(jī)械強(qiáng)度和和好的粘附力等,可以通過降低熱散失,提高能量利用率,達(dá)到縮短響應(yīng)時(shí)間的目的。

圖2 聚合物膜上的微片點(diǎn)火器[11]

Fig.2 Micro-chip initiator on polymeric membrane[11]

圖3 聚合物SU-8膠膜的光學(xué)圖像[11]

Fig.3 Optical image of the polymeric SU-8 membrane[11]

兵器213所的解瑞珍等[12-13]對(duì)比硅基底與7740玻璃的熱散失特性,最終選用7740玻璃為基底,成功制備出Ni-Cr換能元,并完成發(fā)火測(cè)試。

2.1.2 換能元電阻材料

換能元是MEMS火工品中實(shí)現(xiàn)能量引發(fā)、能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件,而點(diǎn)火電阻是其關(guān)鍵參數(shù),特別是當(dāng)材料結(jié)構(gòu)達(dá)到微納量級(jí)其電阻率不同于常規(guī)尺寸材料,因而對(duì)于換能元電阻材料及薄膜特性研究是一項(xiàng)基礎(chǔ)內(nèi)容。目前常用的薄膜電阻材料主要包括多晶硅[14]、Pt[8,15]、Ti[16]、Cr[17]、Ni-Cr合金[12]等。國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)探究微納結(jié)構(gòu)下材料的電阻特性,圍繞MEMS火工品低能發(fā)火、高能輸出、換能可控的要求開展研究工作。

2010年,微組裝技術(shù)(Micro Assembly Technologies)公司在第54屆引信年會(huì)上公布其研制的可替代M100電雷管起爆元件中的四代換能元[3]中提到,第一代換能元材料使用的是鎢材料,并將其發(fā)火電壓降低到了3 V,隨后研究的三代換能元并未公布其電阻材料。

國(guó)內(nèi)外多采用多晶硅(poly silicon)或金屬鉑(Pt)作為電阻材料,所需點(diǎn)火電壓較高(40 V以上),如美國(guó)TRW[18]、法國(guó)LAAS[14,19]都制備出多晶硅橋并成功點(diǎn)火,韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院[8-9]和清華大學(xué)[15]也制備出Pt橋并成功點(diǎn)火,具體參數(shù)見表3。國(guó)防科技大學(xué)[17,20]制備出Cr點(diǎn)火橋,并成功點(diǎn)火,將點(diǎn)火電壓減小到20 V左右。

表3 國(guó)內(nèi)外換能元點(diǎn)火電阻材料及設(shè)計(jì)情況[8,14-15,18]

Table 3 The ignition resistance materials and design situation of energy conversion components at home and abroad[8,14-15,18]

μm

為了獲得阻值低、發(fā)火電壓低且一致性好的金屬橋膜換能元,2010年,兵器213所的解瑞珍等[12-13,21]采用非平衡磁控濺射系統(tǒng)制備了Ni-Cr薄膜,對(duì)其制作過程中的濺射、刻蝕工藝進(jìn)行了探索,研究了薄膜厚度與濺射功率的關(guān)系,測(cè)得其平均發(fā)火電壓為6.67 V,標(biāo)準(zhǔn)差為0.35 V。

2014年,蔡賢耀等[22-23]采用直流反應(yīng)磁控濺射法制備出TaN薄膜,并對(duì)制備過程中基片溫度、濺射功率、氮?dú)饬髁堪俜直鹊葘?duì)TaN沉積速率和電阻率的影響進(jìn)行了探究,確定了最佳制備工藝; 在恒流和電容放電激勵(lì)下進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試,其點(diǎn)火輸入能量高,點(diǎn)火延遲時(shí)間長(zhǎng)。

2.2 換能元的設(shè)計(jì)和制備

2.2.1 換能元的設(shè)計(jì)

MEMS火工品換能元是MEMS火工品的核心器件,國(guó)外十分重視該方面研究工作,其橋區(qū)設(shè)計(jì)主要考慮尺寸結(jié)構(gòu)、加熱面積、電阻值等因素,通過橋區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使熱量更容易聚集產(chǎn)生熱點(diǎn),減少能量耗散,從而降低發(fā)火能量。

自2003年美國(guó)引信年會(huì)開始,美國(guó)陸軍(ARDEC)先后公布了多種用于微能起爆器(Micro Energetic Initiators)序列的MEMS換能元結(jié)構(gòu)參數(shù)、發(fā)火條件以及換能元與起爆藥裝藥的性能匹配關(guān)系,發(fā)展歷程與研究成果見表4,共經(jīng)歷了4個(gè)階段的改進(jìn)設(shè)計(jì),并且給出了一代換能元的設(shè)計(jì)長(zhǎng)寬以及設(shè)計(jì)阻值,并未給出橋厚度以及電阻材料[16]。

表4 用于微能起爆器(MEI)的MEMS換能元發(fā)展歷程[16]

Table 4 The development course of MEMS energy conversion components used in micro energetic initiators(MEI)[16]

ARDEC/Tanner1stgenerationbridgesunitmeasuredresistance/Ωvoltage/VARDEC/Tanner2ndgenerationbridgesunitmeasuredresistance/Ωvoltage/V4.7101.632.8103.6454.692.42.52.863.64ARDEC/Tanner3rdgenerationbridgesunitmeasuredresistance/Ωvoltage/VARDEC/Tanner4thgenerationbridgesunitmeasuredresistance/Ωvoltage/V1.33.01.1?=1.43s=0.0681.82.52.3?=1.54s=0.0561.52.751.8?=1.23s=0.0511.93.01.5?=1.45s=0.213

由四代微能起爆器(MEI)換能元的發(fā)展歷程可見,MEMS火工品是在低能發(fā)火方向發(fā)展,并且用于MEI的換能元橋區(qū)結(jié)構(gòu)已基本確定,以倒“V”字為主,另外還有菱形結(jié)構(gòu),通過并聯(lián)來(lái)減小總電阻,同時(shí)提高點(diǎn)火可靠性。其放棄了蛇形橋的設(shè)計(jì),認(rèn)為三四代是通過橋區(qū)材料和基底材料的改變來(lái)進(jìn)一步降低發(fā)火能量。

2005年,K.L. Zhang等[6-7]設(shè)計(jì)了一種用于固體推進(jìn)器陣列的MEMS點(diǎn)火橋,如圖4所示,厚度為206 nm,焊臺(tái)厚度77 nm,橋區(qū)材料采用金屬Ti,焊臺(tái)采用金屬Au,其點(diǎn)火電壓8 V,點(diǎn)火輸入能量約2.07 J。由于熱傳導(dǎo)與熱輻射所損失的能量比較嚴(yán)重,導(dǎo)致點(diǎn)火能量高。2008年,K.L. Zhang等[24]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合Al-CuO含能薄膜的點(diǎn)火橋,橋區(qū)材料采用金屬Pt,橋區(qū)尺寸未公布,如圖5所示,其點(diǎn)火能量只有0.12～0.70 mJ。

圖4 Au/Ti換能元SEM圖[6]

Fig.4 SEM image of Au/Ti energy conversion components[6]

圖5 Pt換能元橋區(qū)圖形[24]

Fig.5 Bridge image of Pt energy conversion components[24]

2013年,Jongkwang Lee[9,25]采用貴金屬Pt作為橋區(qū)加熱層材料,7740玻璃作為基底層,設(shè)計(jì)了用于固體推進(jìn)器陣列的單層金屬薄膜橋換能元,如圖6所示,橋區(qū)加熱面積為600 μm×440 μm,線寬40 μm,根據(jù)已有數(shù)據(jù)推測(cè)橋區(qū)總長(zhǎng)為3600 μm。采用制備好的單層金屬薄膜橋換能元進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn),初級(jí)裝藥選擇LTNR,點(diǎn)火能量為19.3 mJ,點(diǎn)火延遲時(shí)間為27.5 ms。

圖6 Pt金屬薄膜換能元結(jié)構(gòu)[25]

Fig.6 Energy conversion components structure of Pt metal film[25]

國(guó)內(nèi)換能元橋區(qū)結(jié)構(gòu)主要以蛇形、方形為主,也有人設(shè)計(jì)了倒“V”字結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索,對(duì)制備出的換能元進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn),獲得其特征參數(shù),但對(duì)其微納尺度下的機(jī)理研究相對(duì)較少。

2004年,張高飛等[15]設(shè)計(jì)的Pt點(diǎn)火橋如圖7所示,用于點(diǎn)燃AP/HTPB,其點(diǎn)火電壓接近40 V,點(diǎn)火能量在700 mJ左右。由表3可知,其點(diǎn)火橋區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng),總電阻偏大,導(dǎo)致其點(diǎn)火輸入能量偏大,但細(xì)長(zhǎng)的橋區(qū)在點(diǎn)火發(fā)熱過程中易熔斷,導(dǎo)致點(diǎn)火可靠性較低。

圖7 Pt薄膜橋結(jié)構(gòu)[15]

Fig.7 Thin film bridge structure with Pt[15]

2006年,徐超等[17,20]設(shè)計(jì)的Cr點(diǎn)火橋如圖8所示,其中單根Cr膜橋尺寸為2388 μm×50.8 μm×2.5 μm,電阻為59 Ω; 三根并聯(lián)的膜橋尺寸為1930 μm×101.6 μm×2.5 μm,電阻為12 Ω,實(shí)驗(yàn)所用的點(diǎn)火電壓為20 V,但是點(diǎn)火時(shí)間延遲高達(dá)數(shù)秒。

2008年,王廣海等[26]設(shè)計(jì)了倒“V”字形缺口的金屬薄膜橋,如圖9所示,研究了其安全性能和點(diǎn)火性能,結(jié)果表明,這種金屬薄膜橋具有良好的抗靜電性能、點(diǎn)火性能和機(jī)械性能,薄膜橋通電時(shí)其中心最窄處熱量較集中。

圖8 Cr薄膜橋結(jié)構(gòu)[17]

Fig.8 Thin film bridge structure with Cr[17]

圖9 倒“V”字形缺口金屬橋膜[26]

Fig.9 Inverted V-shaped notched metal bridge membrane[26]

2012年,兵器213所的解瑞珍等[27]研究了橋區(qū)參數(shù)對(duì)Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火性能的影響,包括橋區(qū)長(zhǎng)度、寬度、薄膜厚度以及橋區(qū)形狀等,得到Ni-Cr換能元的最佳厚度為0.9 μm,厚度不能小于0.1 μm,橋區(qū)形狀對(duì)發(fā)火感度具有顯著影響。

2012年,王科偉等[28]設(shè)計(jì)制作了一種滿足鈍感電火工品的Ni-Cr金屬薄膜橋換能元,如圖10所示,橋區(qū)尺寸為400 μm×380 μm×2.8 μm,與半導(dǎo)體橋換能元、橋帶式換能元相比,在相同散熱條件下,該Ni-Cr金屬薄膜換能元安全性較其他兩種換能元裕度大,作用時(shí)間、斷橋時(shí)間介于半導(dǎo)體橋和橋帶式換能元之間。

上述換能元結(jié)構(gòu),都是通過橋區(qū)結(jié)構(gòu)的改變來(lái)降低發(fā)火能量,進(jìn)一步縮小發(fā)火能量的散布精度,提高M(jìn)EMS火工品的可靠性和安全性。目前,針對(duì)單層金屬薄膜橋換能元研究,國(guó)內(nèi)外差距主要存在兩個(gè)方面: 一是國(guó)內(nèi)針對(duì)MEMS火工品換能元橋區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未開展系列研究,仍以蛇形橋?yàn)橹? 二是在尺度控制方面,與國(guó)外有較大差距,主要表現(xiàn)為膜厚控制,國(guó)外換能元膜厚基本控制在1.0 μm以內(nèi),而國(guó)內(nèi)大多數(shù)換能元的膜厚控制在2.0～3.0 μm。存在這些差距的原因主要是由于國(guó)內(nèi)對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)下的特殊效應(yīng)未作深入研究,特別在薄膜電阻率特性及換能元微尺度體系熱散失特性等方面,這是限制MEMS火工品換能元發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

圖10 Ni-Cr金屬薄膜橋樣品[28]

Fig.10 Photograph of Ni-Cr metal film bridge[28]

另外,針對(duì)換能元輸出能量小的問題,世界各國(guó)的解決方案主要是進(jìn)行復(fù)合含能薄膜橋的研究,其能量轉(zhuǎn)換率高,輸出能量大,但是橋區(qū)面積較大,導(dǎo)致點(diǎn)火輸入能量高,點(diǎn)火延遲時(shí)間較長(zhǎng)。含能薄膜電阻橋是利用一種或多種能反應(yīng)釋放熱量的物質(zhì)沉積在兩極間制備而成的一種含能膜,含能薄膜材料通常為導(dǎo)電的復(fù)合薄膜,主要包括化學(xué)反應(yīng)膜和合金化反應(yīng)膜兩種類型。

國(guó)外20世紀(jì)末即有報(bào)道,如1990年美國(guó)的E. Ma等[29]考察了Al/Ni多層薄膜的爆炸反應(yīng),認(rèn)為爆炸反應(yīng)與3Ni∶1Al的低溫固態(tài)反應(yīng)一致,并且其發(fā)生爆炸反應(yīng)依賴于薄層之間的調(diào)制比; 2000年,A. J. Gavens等[30]制備了11 μm的Al/Ni多層膜橋,并用12V恒壓源進(jìn)行點(diǎn)火。研究結(jié)果表明Al/Ni周期厚度越薄,反應(yīng)速度越快。2003年,K. J. Blobaum等[31]利用磁控濺射制備CuOx/Al反應(yīng)多層膜,并且進(jìn)行熱分析,結(jié)果表明CuOx/Al明顯比Al/Ni多層膜釋放的能量高。2012年,美國(guó)的X. T. Qiu[32]等制備10 μm厚的Ni/Al多層薄膜,其中每層Ni厚16 nm,每層Al厚24 nm,利用1.5 V的直流觸發(fā),薄膜表面溫度高達(dá)622 K,點(diǎn)火延時(shí)0.63 s。

2008年,王麗玲等[33]進(jìn)行了多層復(fù)合含能薄膜橋的制備及性能測(cè)試,其含能橋部分Ti為打底層,其中單層Ti膜厚230 nm,單層B膜厚250 nm,總厚度3～4 μm,如圖11所示,電阻2～5 Ω,在40 V/100 μF條件下點(diǎn)火,火焰達(dá)到30 mm,持續(xù)時(shí)間達(dá)2 ms。根據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可推測(cè)含能橋能夠提高火工品的點(diǎn)火能力,有望實(shí)現(xiàn)隔離點(diǎn)火。

圖11 多層含能復(fù)合薄膜橋換能元[33]

Fig.11 Energy conversion components of multilayer composite film bridge[33]

2011年,朱朋等[34]設(shè)計(jì)制備了介電式Al/CuO復(fù)合膜橋,其尺寸為2000 μm×2000 μm×2.6 μm,電阻為4 Ω,用60 V恒壓點(diǎn)火,火焰溫度為2500～3500 K,持續(xù)0.35 ms; 80 V點(diǎn)火時(shí),火焰溫度為3500～4000 K,持續(xù)0.55 ms,如圖12所示。分析認(rèn)為介電式橋膜提高了薄膜之間氧化還原反應(yīng)的程度,提高了點(diǎn)火橋的電熱轉(zhuǎn)換效率。

圖12 點(diǎn)火橋三維結(jié)構(gòu)圖[34]

Fig.12 3D illustration of the ignition bridge[34]

2012年,王成玲[35]設(shè)計(jì)了一種W形的復(fù)合含能點(diǎn)火橋膜,其線寬為80 μm,厚度為2 μm,除焊盤外,整個(gè)橋區(qū)均在Φ0.7 mm的圓內(nèi),具體尺寸如圖13所示; 對(duì)比相同尺寸結(jié)構(gòu)的Al、Ni、Ni/Al薄膜橋點(diǎn)火情況,發(fā)現(xiàn)Ni/Al薄膜橋反應(yīng)迅速,噴射火焰面積大,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

綜上可知,目前的橋型設(shè)計(jì)包括“蛇形”、長(zhǎng)方形、倒“V”字形、菱形、“W”形等,其橋區(qū)參數(shù)對(duì)MEMS火工品換能元的性能具有顯著影響。優(yōu)良的設(shè)計(jì)能夠從本質(zhì)上提高換能元的可靠性及安全性,而優(yōu)良的設(shè)計(jì)必須建立在掌握小尺度下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)之上。目前對(duì)MEMS火工品換能元的尺度及結(jié)構(gòu)效應(yīng)公開報(bào)道較少,因此對(duì)其微尺度及結(jié)構(gòu)效應(yīng)需展開研究工作。

圖13 W形點(diǎn)火橋膜[35]

Fig.13 W-shaped ignition bridge film[35]

2.2.2 換能元的制備

對(duì)于MEMS火工品來(lái)說,其核心部分就是換能元,其制備過程包括掩膜版的制備和工藝流程及封裝,制作工藝流程及封裝的好壞對(duì)產(chǎn)品最終的性能起著至關(guān)重要的作用。目前,MEMS工藝制備換能元相對(duì)成熟,例如解瑞珍等[12]采用清洗→濺射電阻靶材→勻膠→光刻→顯影→刻蝕→去膠→清洗→濺射焊臺(tái)靶材→勻膠→套刻→顯影→刻蝕→去膠→測(cè)試等工藝流程來(lái)制備Ni-Cr換能元。K.L. Zhang等[6]設(shè)計(jì)的用于固體推進(jìn)器陣列的MEMS點(diǎn)火橋制備過程如圖14所示,其經(jīng)過多步濺射、勻膠、光刻、顯影、刻蝕而制得,圖示還包括了晶圓封裝工藝過程。

圖14 MEMS點(diǎn)火橋的制備工藝流程[6]

Fig.14 Preparation process of MEMS ignition bridge[6]

2010年引信年會(huì)報(bào)道了高縱橫比的MEMS器件的晶圓級(jí)封裝工藝[36],如圖15所示,鍵合方式有兩種分別是AuSn焊料焊接和陽(yáng)極鍵合,通過通孔連接電路跟密封裝置,有效提高了MEMS組件的安全性和可靠性,增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)量,減少了生產(chǎn)成本。

圖15 晶圓封裝示意圖[36]

Fig.15 Wafer level packaging diagram[36]

3 MEMS火工品換能元性能參數(shù)表征與測(cè)試

MEMS火工品換能元的特征參數(shù)包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)參數(shù),結(jié)構(gòu)參數(shù)又包括其整體尺寸、焊臺(tái)尺寸、橋區(qū)尺寸以及表面形貌等; 性能指標(biāo)包括電阻大小、安全電流、全發(fā)火電流、安全電壓、全發(fā)火電壓、發(fā)火能量、發(fā)火時(shí)間以及能量轉(zhuǎn)換特性等。

MEMS火工品換能元的特征參數(shù)較容易獲得,以金屬薄膜橋換能元為例,整體尺寸和焊臺(tái)尺寸對(duì)發(fā)火性能的影響不是十分顯著,其參數(shù)在設(shè)計(jì)制造階段可較好的控制; 其表面形貌及晶型采用原子力顯微鏡(AFM)來(lái)測(cè)試表征; 橋區(qū)尺寸通過掃描電鏡(SEM)來(lái)表征獲得; 而橋區(qū)結(jié)構(gòu)的厚度主要在工藝階段控制,并用臺(tái)階儀對(duì)制備的樣品進(jìn)行表征,確保樣機(jī)的一致性及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和真實(shí)性。

MEMS火工品換能元的性能指標(biāo)參數(shù)直接影響到其所在應(yīng)用系統(tǒng)的安全性及可靠性,故對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試十分重要。MEMS火工品換能元的溫度變化幅度反映了MEMS火工品對(duì)電流的敏感程度,體現(xiàn)了MEMS火工品的安全性,從而在相當(dāng)程度上反映了其所在系統(tǒng)的安全性。張文超等[37]采用紅外測(cè)溫對(duì)不同種類的MEMS火工品進(jìn)行測(cè)量,得到不同電流情況下MEMS火工品的溫度變化規(guī)律,為研究其發(fā)火特性提供指導(dǎo)和參考。

朱朋等[38]利用差熱分析(DSC)對(duì)其制備的Al/CuO復(fù)合薄膜的化學(xué)反應(yīng)性能進(jìn)行了測(cè)試,認(rèn)為Al/CuO復(fù)合薄膜在一定條件下可以發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成熱接近于其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下生成熱(-1203.8 kJ·mol-1),其反應(yīng)溫度最高達(dá)到2573 ℃(即銅的沸點(diǎn)),并且從理論上推導(dǎo)出Al/CuO的化學(xué)反應(yīng)分兩步進(jìn)行。

任小明等[21]對(duì)其制備的Ni-Cr薄膜換能元進(jìn)行了發(fā)火特性測(cè)試,設(shè)計(jì)發(fā)火電路如圖16所示,依據(jù)GJB/z377A-94測(cè)量其發(fā)火感度,得到其平均電阻3.45 Ω,平均發(fā)火電壓為6.67 V,全發(fā)火電壓8 V左右,標(biāo)準(zhǔn)方差0.35 V。

目前,針對(duì)MEMS火工品換能元的橋區(qū)溫升特性主要依靠紅外測(cè)試及仿真模擬分析獲得,與橋區(qū)實(shí)際溫升情況具有一定的差異性。因此,針對(duì)MEMS火工品換能元的溫升特性研究需要建立一套新的測(cè)試方法。另外,隨著MEMS火工品換能元技術(shù)的發(fā)展,其橋區(qū)尺寸越來(lái)越小,而電阻率是其重要的參數(shù)之一,直接影響電阻值的大小和橋區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為此,迫切需要開展MEMS火工品換能元的尺度效應(yīng)研究。

圖16 Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火電路[21]

Fig.16 The firing circuit of Ni-Cr film igniting resistor[21]

4 總結(jié)與展望

MEMS換能元是近些年火工品領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。在前期的研究中,國(guó)內(nèi)外在MEMS換能元設(shè)計(jì)上都取得了較為突出的進(jìn)步,尤其以美國(guó)ARDEC和MAT為主,其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已形成系列化,全發(fā)火電壓低于2 V; 國(guó)內(nèi)則以兵器213所、南理工、九院等研究單位為主,獲得了較多研究成果及理論基礎(chǔ),全發(fā)火電壓不高于10V。此外,ARDEC和LAAS重點(diǎn)研究了MEMS換能元尺度效應(yīng),獲得了基底材料熱散失特性以及電阻尺度效應(yīng)規(guī)律,為MEMS換能元設(shè)計(jì)研究提供理論支撐。對(duì)比國(guó)內(nèi)外在MEMS換能元研究方面的差距,可以得出以下結(jié)論:

(1) MEMS換能元具有微型化、集成化、多功能化、高可靠性和可批量化生產(chǎn)等特點(diǎn),其制備工藝簡(jiǎn)單、一致性好、發(fā)火電壓低,能滿足武器系統(tǒng)小型化、智能化、高安全的發(fā)展需求,是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)。

(2) 隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)MEMS換能元研究的深入,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由“蛇”型橋向簡(jiǎn)單橋型結(jié)構(gòu)過度,基底材料由硅基向玻璃基底或石英基底過度; 未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)微尺度下的熱散失特性以及橋區(qū)電阻特性研究,為MEMS換能元的設(shè)計(jì)研究提供理論支撐。

(3) 復(fù)合含能薄膜橋換能元是MEMS換能元的一個(gè)重要發(fā)展方向,其薄膜調(diào)制比影響換能元的延滯期及換能元釋放的能量大小; 未來(lái)研究的方向應(yīng)著重放在不同材料薄膜調(diào)制比的研究以及含能橋換能元低能化研究等方面。

(4) 面對(duì)武器系統(tǒng)小型化發(fā)展的趨勢(shì),急需研發(fā)MEMS火工品,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與理論不足以完全勝任這一極具挑戰(zhàn)性的工作,應(yīng)更加重視多學(xué)科交叉在MEMS火工品研制中的協(xié)同促進(jìn)作用,注重引入新思想、新設(shè)計(jì)理念以及新方法等,并將其充分應(yīng)用于MEMS火工品的設(shè)計(jì)與制備中,提高下一代火工品的研發(fā)效率。

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